Vascularized brain organoids enable reconstruction of the human blood-brain barrier and neurovascular disease modelling

Het menselijk brein is een vesting, beschermd door een zeer selectieve poortwachter die bekend staat als de bloed-hersenbarrière. Deze barrière is een dunne, gespecialiseerde wand van cellen die de minuscule bloedvaten in de hersenen bekleedt, waardoor essentiële voedingsstoffen kunnen passeren terwijl schadelijke stoffen en infecties worden buiten gehouden. Decennialang hebben wetenschappers geprobeerd te bestuderen hoe deze barrière vormt, hoe deze werkt en wat er gebeurt wanneer deze afbreekt bij ziekten. Traditionele methoden, zoals het kweken van platte lagen cellen in een schaal, slagen er niet in de complexe, driedimensionale structuur van de hersenen te vangen. Ondertussen resulteerden vroege pogingen om miniature menselijke hersenen te kweken uit stamcellen, zogenaamde organoïden, vaak in klonten weefsel die geen bloedvaten bevatten. Zonder bloedtoevoer konden deze kleine hersenen niet groot genoeg groeien om nuttig te zijn, en hun centra stierven vaak af door een gebrek aan zuurstof.

Om dit op te lossen, zoeken onderzoekers naar een manier om een levend model te bous dat zowel hersenweefsel als een werkend netwerk van bloedvaten bevat. Dit is cruciaal omdat de barrière niet alleen een statische muur is; het is een dynamische interface waar bloedvaten met hersencellen communiceren om de gezondheid te handhaven. Wanneer deze communicatie faalt, kan dit leiden tot verwoestende condities variërend van infecties die de hersenen binnendringen tot genetische stoornissen die hersenweefsel vernietigen. Tot nu toe heeft geen enkel model erin geslaagd een ontwikkelend menselijk brein te combineren met een functioneel, menselijk bloedvatsysteem dat het echte ding nabootst.

Een team van wetenschappers heeft nu een nieuw, schaalbaar platform ontwikkeld dat deze kloof overbrugt. Ze hebben een methode ontwikkeld om vasculaire menselijke hersenorganoïden te kweken, die miniature, driedimensionale modellen van het menselijk brein zijn die hun eigen geïntegreerde netwerk van bloedvaten bevatten. Het proces begint met menselijke stamcellen, die worden gestuurd om kleine sferen van hersenweefsel te vormen. Op een specifiek vroeg stadium laten de onderzoekers deze ontwikkelende sferen in een gel met menselijke bloedvatcellen en ondersteunende cellen genaamd pericyten. Deze eenvoudige stap triggert de vorming van een stabiel, vertakkend netwerk van vaten dat direct in het hersenweefsel groeit. In tegenstelling tot eerdere pogingen die complexe genetische manipulatie vereisten, vertrouwt deze aanpak op het natuurlijke vermogen van deze cellen om zichzelf te organiseren wanneer ze in een vroeg stadium bij elkaar worden geplaatst.

De onderzoekers testten verschillende soorten bloedvatcellen om te zien welke het beste zou werken. Ze ontdekten dat een specifiek type cel, afkomstig van de navelstreng en aangepast om langer te overleven in cultuur, het meest effectief was bij het creëren van een robuust netwerk. Toen deze cellen werden gecombineerd met pericyten, ontwikkelden de resulterende organoïden een dicht web van vaten dat diep in het hersenweefsel doordrong. Deze vaten waren niet slechts lege buizen; ze ontwikkelden de nauwe afsluitingen en gespecialiseerde transporteiwitten die kenmerkend zijn voor de echte bloed-hersenbarrière. Het team observeerde dat de aanwezigheid van deze vaten de algehele gezondheid van de organoïde verbeterde, de dood van cellen in het centrum verminderde en het hersenweefsel verder liet rijpen dan zonder bloedtoevoer mogelijk was.

Om te bevestigen dat deze kunstmatige vaten werkelijk functioneel waren, namen de wetenschappers de organoïden en implanteerden ze onder de huid van muizen met een verzwakt immuunsysteem. Binnen drie weken verbonden de menselijke bloedvaten in de organoïden zich direct met het eigen circulatiesysteem van de muis. Bloed van de muis stroomde door de menselijke vaten, en de vaten zelf werden volwassener, waarbij ze extra kenmerken van de menselijke bloed-hersenbarrière verkregen die in de schaal ontbraken. Dit bewees dat het model niet alleen kon overleven, maar ook kon integreren met een levende gastheer, waarbij het reageerde op de bloedstroom op een manier die de menselijke fysiologie nabootst.

Met behulp van dit nieuwe model onderzocht het team hoe de bloed-hersenbarrière zich gedraagt tijdens ziekte. In één experiment infecteerden ze de muizen met Neisseria meningitidis, een bacterie die meningitis veroorzaakt bij mensen maar van nature geen muizen kan infecteren. De bacteriën hechtten zich selectief aan de menselijke bloedvaten in de organoïden en negeerden de nabijgelegen muisvaten. De onderzoekers zagen hoe de bacteriën de vaatwanden hermodelleerden, de vorming van bloedstolsels triggerden en uiteindelijk de barrière doorbraken om het hersenweefsel binnen te dringen. Dit bood een zeldzaam, realtime beeld van hoe een mensspecifieke infectie de hersenen aanvalt, een proces dat onmogelijk te bestuderen is in standaard diermodellen.

In een tweede toepassing gebruikte het team het platform om Alexanderziekte te bestuderen, een zeldzame genetische stoornis veroorzaakt door mutaties in een eiwit genaamd GFAP, dat essentieel is voor ondersteunende cellen in de hersenen. Ze kweekten organoïden met stamcellen van patiënten met deze ziekte en vergeleken deze met gezonde controles. Ze ontdekten dat de genetische mutaties ervoor zorgden dat de ondersteunende cellen abnormaal samenklonteren en verder weg van de bloedvaten bewegen. Deze verstoring in de ruimtelijke ordening van de cellen leidde tot een lekkende bloed-hersenbarrière, waardoor stoffen uit de vaten in het hersenweefsel konden ontsnappen. Dit suggereert dat de kern van de ziekte een breuk in de fysieke relatie tussen de ondersteunende cellen en de bloedvaten is, wat leidt tot het falen van de barrière.

De creatie van deze vasculaire hersenorganoïden markeert een belangrijke stap voorwaarts in het begrijpen van de menselijke hersenbiologie. Door een model te bieden dat een werkende bloedtoevoer en een functionele barrière bevat, hebben de onderzoekers de deur geopend voor het bestuderen van ziekten en het testen van behandelingen in een systeem dat nauw overeenkomt met de menselijke hersenen. Het vermogen om te observeren hoe bloedvaten interageren met hersencellen in een levende, doorbloede omgeving biedt een krachtig nieuw instrument voor het ontdekken van de mechanismen van neurologische aandoeningen en voor het ontwikkelen van therapieën die de bloed-hersenbarrière kunnen beschermen of herstellen.